鄭山鎖， 張秋石， 程明超， 牛麗華， 朱攬奇， 石 磊

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 西安 710055；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司陜西分公司， 西安 710077)

砌體結(jié)構(gòu)的震害特征分析

鄭山鎖1， 張秋石1， 程明超2， 牛麗華1， 朱攬奇1， 石 磊1

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 西安 710055；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司陜西分公司， 西安 710077)

砌體結(jié)構(gòu)是我國(guó)最悠久最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)形式。在已有震害資料的基礎(chǔ)上，論述砌體墻的水平裂縫、斜裂縫和豎向裂縫的破壞形式，給出各種裂縫的破壞形態(tài)和常見(jiàn)位置；砌體結(jié)構(gòu)的倒塌破壞包括整體粉碎性垮塌，局部垮塌和整層垮塌，系統(tǒng)的闡述了各種倒塌破壞的特征；歸納分析了砌體結(jié)構(gòu)的其他常見(jiàn)震害破壞形式，如變形縫處破壞、樓梯板破壞和結(jié)構(gòu)突出物破壞。深入探討砌體墻裂縫和倒塌破壞的產(chǎn)生原因，為了解砌體結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和抗震性能奠定基礎(chǔ)。針對(duì)砌體結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)安全上的薄弱缺陷，提出在設(shè)計(jì)和施工時(shí)的一些建議。

砌體結(jié)構(gòu)；震害特征；裂縫；倒塌破壞

引 言

我國(guó)是多地震國(guó)家，近些年來(lái)地震災(zāi)害頻發(fā)，給國(guó)家?guī)?lái)了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也使得我國(guó)大量的房屋建筑遭到破壞。我國(guó)目前存在多種建筑結(jié)構(gòu)形式，比如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及一些混合結(jié)構(gòu)等。其中砌體結(jié)構(gòu)是我國(guó)最主要的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，由于其就地取材、施工簡(jiǎn)單、保溫隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、住宅、辦公樓等建筑工程中。然而，由于砌體結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度低、延性差、整體性弱等劣勢(shì)，導(dǎo)致砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能較差[1]。在歷次地震災(zāi)害調(diào)查中，砌體結(jié)構(gòu)的抗震表現(xiàn)都不盡人意。圖1是汶川地震后土木工程專(zhuān)家組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察統(tǒng)計(jì)得到的不同建筑結(jié)構(gòu)震害情況統(tǒng)計(jì)[2]，由圖1可知，砌體結(jié)構(gòu)抗震性能最差，震害最為嚴(yán)重。

圖1 不同建筑結(jié)構(gòu)震害情況對(duì)比

砌體結(jié)構(gòu)是我國(guó)的主要建筑結(jié)構(gòu)形式，鑒于砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的表現(xiàn)較差，因此，對(duì)地震災(zāi)區(qū)不同烈度下的砌體結(jié)構(gòu)的震害資料進(jìn)行深入的整理和分析，總結(jié)地震災(zāi)區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的破壞特征及發(fā)生原因，有助于深入了解砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的不足，為提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和施工水平奠定基礎(chǔ)。

1 砌體墻的破壞特征

1.1 水平裂縫

在歷次地震災(zāi)害中，水平裂縫是墻體的主要破壞形式之一[3]。在汶川地震中，不少橫墻出現(xiàn)了水平裂縫，如圖2所示。水平裂縫多發(fā)生在樓層墻頂(圈梁底部)以及±0.00位置(地圈梁頂面)，出現(xiàn)水平裂縫后，墻體會(huì)產(chǎn)生整體的錯(cuò)動(dòng)和滑移跡象。水平裂縫產(chǎn)生的原因大體上有以下三種，第一種主要是由于瞬間地震動(dòng)峰值過(guò)大，導(dǎo)致墻體瞬間被剪斷，發(fā)生滑移現(xiàn)象，地震反復(fù)作用導(dǎo)致裂縫較寬[4]。第二種是由于砂漿強(qiáng)度不足，建造時(shí)間較長(zhǎng)，砂漿強(qiáng)度退化，或是遭遇的地震強(qiáng)度較大，砂漿層抗剪強(qiáng)度不足以抵抗水平地震作用，從而形成水平裂縫，發(fā)生剪摩破壞。第三種是由于地震作用方向與墻體正好垂直時(shí)，抵抗地震作用的縱墻發(fā)生破壞[5]。橫墻由于其平面外剛度較小，平面外抗側(cè)能力較弱，在地震作用下會(huì)發(fā)生平面外彎曲破壞，形成水平裂縫。

圖2 砌體墻水平裂縫破壞形式

1.2 斜裂縫

斜裂縫破壞是砌體結(jié)構(gòu)較為常見(jiàn)的震害形式，在地震災(zāi)區(qū)隨處可見(jiàn)砌體墻發(fā)生斜裂縫破壞[6]。墻體的斜裂縫破壞主要包括單向斜裂縫和交叉斜裂縫(X型裂縫)，如圖3所示。墻體斜裂縫主要是由于墻體的抗剪強(qiáng)度不足，主拉應(yīng)力超過(guò)砌體的抗拉強(qiáng)度所致。裂縫沿主拉應(yīng)力方向發(fā)展，屬于剪壓破壞形態(tài)[7]。

在教學(xué)樓、醫(yī)院等大開(kāi)間砌體結(jié)構(gòu)中，常出現(xiàn)交叉滑移裂縫[8]。如圖3(d)所示，此類(lèi)橫墻寬度較大，高寬比較小，裂縫先沿45度方向發(fā)展，隨著地震的反復(fù)作用，形成水平滑移通縫，砂漿和磚完全分開(kāi)，僅依靠摩擦力抵抗地震作用。這種破壞形式為剪摩和剪壓復(fù)合破壞形式[9]。

圖3 砌體墻斜裂縫破壞形式

1.3 豎向裂縫

豎向裂縫主要產(chǎn)生于縱橫墻連接處，產(chǎn)生豎向裂縫的主要原因是縱橫墻之間缺少可靠的拉結(jié)，地震作用下產(chǎn)生裂縫，甚至縱墻外閃或倒塌[10]，如圖4所示。

圖4 砌體墻豎向裂縫破壞形式

2 砌體結(jié)構(gòu)倒塌破壞特征

2.1 倒塌破壞形態(tài)

砌體結(jié)構(gòu)抗震性能差，在歷次地震中發(fā)生倒塌的概率最高[11]。砌體結(jié)構(gòu)的倒塌主要發(fā)生在高烈度區(qū)，對(duì)于未經(jīng)過(guò)抗震設(shè)計(jì)的砌體結(jié)構(gòu)或者農(nóng)村民房，地震作用下發(fā)生倒塌的概率較大。鑒于砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下不同的倒塌形式，將倒塌分為以下幾種類(lèi)型：

(1)整體粉碎性垮塌。砌體結(jié)構(gòu)整體性?xún)A倒，倒塌后不能保持原有的建筑形狀，無(wú)生存空間，倒塌現(xiàn)場(chǎng)一片廢墟，造成嚴(yán)重的人員傷亡，如圖5(a)所示。這些砌體結(jié)構(gòu)大多材料強(qiáng)度較低，并且建造年代較早，服役時(shí)間較長(zhǎng)，并且沒(méi)有經(jīng)過(guò)正規(guī)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，并且沒(méi)有構(gòu)造柱、圈梁、拉結(jié)筋等構(gòu)造措施，結(jié)構(gòu)整體性差，多數(shù)為某層磚墻承載力不足而倒塌，其它層隨之倒塌或被其砸倒。

(2)局部垮塌。多層磚砌體房屋局部倒塌形式多種多樣，有的是一端倒塌，一端未倒；有的是兩端倒塌，中間未倒；有的是中間倒塌，兩端未倒；有的是外墻倒塌，內(nèi)墻未倒等。造成局部倒塌的原因很多，例如某個(gè)開(kāi)間突然變大，平面或是里面不規(guī)則產(chǎn)生地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，兩種形式的混合承重，局部荷載改變等。這類(lèi)倒塌剩余部分能保持一定的建筑形狀，有一定的生存空間，能夠提供避難場(chǎng)所。

(3)整層倒塌。多層磚砌體結(jié)構(gòu)底層門(mén)窗開(kāi)洞較多，或者是底部框架抗震墻結(jié)構(gòu)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)底部剛度較小，上部剛度較大，在地震作用下容易發(fā)生底部整層倒塌現(xiàn)象，如圖5所示。此類(lèi)倒塌在倒塌層無(wú)生存空間，除倒塌層外，其余結(jié)構(gòu)基本完整，這種倒塌形式的建筑物，圈梁和構(gòu)造柱設(shè)計(jì)基本齊全，在設(shè)計(jì)過(guò)程中未考慮豎向地震作用，在正常使用情況下可以滿(mǎn)足承載力的要求，但是在遭遇大地震時(shí)，由于沒(méi)有足夠的安全儲(chǔ)備導(dǎo)致承載力不足而發(fā)生整體倒塌。

圖5 砌體結(jié)構(gòu)倒塌破壞形式

2.2 倒塌破壞原因

砌體結(jié)構(gòu)的倒塌破壞與很多因素有關(guān)，例如地震烈度達(dá)到甚至超過(guò)罕遇地震烈度，平面不規(guī)則、立面不規(guī)則，圈梁構(gòu)造柱設(shè)置不完善，未經(jīng)過(guò)正規(guī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)施工有缺陷等。然而，砌體結(jié)構(gòu)的倒塌歸根結(jié)底始于承重墻體的破壞，承重墻體的破壞始于墻體的裂縫，墻體裂縫產(chǎn)生的原因包括平面內(nèi)的彎曲破壞和剪切破壞，平面外的彎曲破壞。在裂縫出現(xiàn)初期，墻體仍能夠承擔(dān)部分地震作用，并且能保持一定的承載力使得結(jié)構(gòu)不致發(fā)生倒塌。一旦砌體結(jié)構(gòu)遭遇較大地震時(shí)，地震峰值加速度較大，地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，墻體發(fā)生裂縫后進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)、壓碎等破壞，直至承重墻喪失承載力而發(fā)生倒塌。

3 其他破壞

砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞形式多種多樣。除了上述常見(jiàn)的砌體結(jié)構(gòu)的破壞形式之外，還存在其他各種破壞形式[12]。如墻角的破壞、屋面突出物的鞭梢效應(yīng)、屋面樓面破壞、樓梯破壞等都會(huì)影響砌體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全，如圖6所示。

圖6 砌體房屋其他部位破壞

4 結(jié) 論

歷次地震震害資料表明，砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能較差，破壞和倒塌非常嚴(yán)重[13]。通過(guò)對(duì)大量震害資料的調(diào)查和分析，總結(jié)出影響砌體結(jié)構(gòu)破壞程度的主要因素和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工的建議如下：

(1)砌體結(jié)構(gòu)在平面形狀復(fù)雜，立面凹凸變化較多時(shí)，抗震性能極差。所以，砌體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)平面和立面布置應(yīng)簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱(chēng)、無(wú)剛度突變，結(jié)構(gòu)體系傳力明確，構(gòu)造措施完善、合理。

(2)震害表明，砌體結(jié)構(gòu)門(mén)窗洞口破壞較為嚴(yán)重，因此對(duì)于門(mén)窗洞口開(kāi)洞大小、位置應(yīng)重點(diǎn)考慮?，F(xiàn)有砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法無(wú)法考慮窗間墻和窗下墻間的破壞模式，因此需要對(duì)現(xiàn)有砌體結(jié)構(gòu)計(jì)算方法加以改進(jìn)。

(3)大開(kāi)間砌體結(jié)構(gòu)的橫墻較少，破壞較為嚴(yán)重[14]。所以，在實(shí)踐中對(duì)教室、醫(yī)院等大開(kāi)間結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)、提前加固。

(4)震害表明，建造年代較為久遠(yuǎn)，服役時(shí)間較長(zhǎng)的老舊房屋破壞相對(duì)較為嚴(yán)重[15]。適時(shí)、適當(dāng)對(duì)老舊房屋進(jìn)行加固，有助于提高其抗震能力。

(5)砌體結(jié)構(gòu)的抗地震能力與施工質(zhì)量有直接聯(lián)系。震害資料表明，由于施工質(zhì)量的原因造成房屋倒塌和嚴(yán)重破壞的事例在歷次地震災(zāi)害中均有體現(xiàn)。因此，施工質(zhì)量是決定房屋破壞程度的最直接因素。

[1] 張秋石.攀枝花地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)震害矩陣的完善[C]//結(jié)構(gòu)工程新進(jìn)展國(guó)際論壇(第七屆)論文集.西安:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2016.

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Research on Masonry Structure’s Characteristics of Seismic Disaster

ZHENGShansuo1,ZHANGQiushi1,CHENGMingchao2,NIULihua1,ZHULanqi1,SHILei1

(1.College of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;2.Shanxi Branch, China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Xi’an 710077, China)

Masonry is an ancient and common form of building structure. Based on the existing earthquake disaster data, the failure modes of masonry structure’s horizontal crack, diagonal crack and vertical crack, including the crack’s shape and position are elaborated. Masonry’s overall collapse includes comminuted collapse, partial collapse and the whole floor’s collapse, then the characteristic of various collapses are summarized. Other failure modes are generalized, such as the destruction in deformation joint, stairboard and protrusion. Besides, the causes of above destruction are thoroughly discussed, and a foundation for deeply understanding the failure mechanism and failure reason is laid. Focused on the shortcomings of masonry, some suggestions on structural design and building construction are given.

masonry structure; characteristics of seismic disaster; crack; collapse

2016-09-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAJ08B03)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51678475)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20136120110003)

鄭山鎖(1960-)，男，陜西渭南人，教授，博士(后)，主要從事砌體結(jié)構(gòu)檢測(cè)加固和易損性方面的研究，(E-mail)zhengshansuo@126.com

1673-1549(2016)06-0065-05

10.11863/j.suse.2016.06.13

TU241.7

A